技術資料＞水素脆性型の転動疲労強度に及ぼす侵入水素の影響

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技術資料
Technical Data

水素脆性型の転動疲労強度に及ぼす侵入水素の影響
木南俊哉＊

Effect of Hydrogen on Rolling Contact Fatigue Phenomena due toHydrogen Embrittlement
Toshiya Kinami
Synopsis
Rolling contact fatigue phenomena due to hydrogen embrittlement are serious problems in bearings for automotive alternators
and automotive transmission parts such as gears and CVT. When hydrogen, which is decomposed from lubricant oil, enters
into the surface of the parts in service, the rolling contact fatigue life decreases remarkably. The hydrogen embrittlement is anessential problem for the rolling contact fatigue strength as well as the nonmetallic inclusion.
However, the standard testing method of the rolling contact fatigue due to hydrogen embrittlement has not been established yet.
In this study, the roller-pitting test was investigated. The hydrogen content during the test was measured by the hydrogen thermal
desorption analysis (TDA).
In case of over slip ratio -40 % and lubricant A, the rolling contact fatigue phenomena due to hydrogen embrittlement occurredwith white structure. In case of slip ratio -20 % or lubricant B , the hydrogen embrittlement did not occur and the rolling contact
fatigue life elongated for less hydrogen content in the specimens. In spite of the increase of the rotating speed, the rolling contact
fatigue life did not become short. Therefore, it was estimated that the hydrogen embrittlement phenomena was improved by theincrease of lubricant film thickness. The diffusible hydrogen content of the testing specimens was tried to be measured using
rapid cooling and a large furnace.

1. 緒

言に水素が侵入することにより，疲労強度が低下することが報告されており 5），6），転動疲労でも水素によって強度自動車用エンジンの電装・補機に使用されている軸1），2）低下が生じていると考えられる．

を用いた歯車やこの水素脆性型の転動疲労剥離は介在物起因の剥離とCVT（Continuously Variable Transmission 無段変速機）な同様に転動疲労の本質的破壊形態の一つと考えられる．

どの動力伝達部品や風力発電用のギヤボックス軸受 4）で，また，水素脆性型の転動疲労は部品の高強度，高出力化

水素脆性型の早期転動疲労剥離が問題となっている．こと潤滑油の多様化から今後も増加が予想される．

受や特殊なトラクション潤滑油3）の剥離ではき裂形態が粒界き裂であり，粒界き裂に沿った白色組織変化を伴うことが多い．

水素脆性型の転動疲労強度の評価方法は水素添加材の転動疲労試験 1），7） や特殊潤滑油を用いた軸受での評

水素脆性型の早期転動疲労剥離の原因は，潤滑油から

価 2），3） が行われているが，未だ標準的試験方法は確立

侵入する水素と考えられている．引張圧縮疲労では鋼中されていない．著者らは水素脆性型の転動疲労試験法と2013 年 5 月 1 日受付＊大同特殊鋼㈱研究開発本部（Daido Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）

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して水素添加材の転動疲労試験とすべりを伴うローラーピッチング試験を行ってきた 8），9）．後者は試験中に潤滑油から水素が侵入するため，より実部品に近い評価法と考えられる．
しかし，ローラーピッチング試験での水素脆性型の剥離発生条件は明らかではなく，同試験片の侵入水素量も未確認であった．
そこで，ローラーピッチング試験での試験条件（すべり率，面圧，潤滑油，回転数）と水素脆性剥離の発生有無の関係および試験後の侵入水素量を調査し，水素脆性型転動疲労強度に及ぼす侵入水素量の影響を検討した．

(a) a sample for a standard furnace

また，水素脆性機構の解明には拡散性水素量の測定が必要と考えられるため，試験停止直後の急速冷却と水素分析装置の大径化による拡散性水素量の測定を試みた．

2. 試験方法2.

1

水素脆性型ローラーピッチング

水素脆性型の転動疲労強度を評価するために，すべりを伴う 2 円筒転動疲労試験（ローラーピッチング試験）を行った．試験条件は面圧 2 ～ 3.7 GPa，すべり率 -20～ -60 %，油温 90 ℃，回転数 750 ～ 3000 rpm で行った．
相手ローラーは SUJ2 焼入れ焼戻し材で，軸方向に曲率(b) a sample for a large furnace

半径 150 mm のクラウニングを有する直径 130 mm の円筒である．潤滑油は市販のオートマチックトランスミッション油 A, B（以下潤滑油 A, B）を用いた．

Fig. 1. Analytical samples for measurement ofhydrogen content using a standard furnace (a)

供 試 材 は JIS SCr420 鋼 を 用 い， 外 径 26 mm 内 径 12and a large furnace (b).

mm の中空円筒試験片を作製した後，温度 930 ℃で浸炭

3. 試験結果処理を行い，850 ℃で焼入れ後，160 ℃で焼戻した．表面を深さ 0.15 mm 研削し，試験片を仕上げた．試験片の表面硬さは 747 Hv，550 Hv 深さは 0.9 mm，表層 C 濃度は 0.8 % である．

2.

2

昇温脱離法による水素分析

3.

1

すべり率および潤滑油の影響

Fig. 2 に水素脆性型のローラーピッチング試験結果を示す．潤滑油 A を用いた場合，すべり率 -60 %，-40 %に比べてすべり率 -20 % では大幅に長寿命化する．

ローラーピッチング試験中の侵入水素量を昇温脱離

水素脆性剥離では転走面下に樹木状の白色組織を生成法による水素分析で測定した．面圧は 2.5 GPa，油温 90する特徴があるため，寿命試験後の転走面下の組織変化℃，回転数 1500 rpm で約 16 時間試験を行った後，試験を全て調査した． Fig. 3 (a) に白色組織の観察例を示す．

を中断し直ちに試験片を取り外し，Fig. 1 (a) に示した
ように切断により転走面下より幅 5 mm 長さ 5 mm 厚さ7 mm の分析試料を採取した．その後ガスクロマトグラ

すべり率 -60 %,-40 % では全ての試験片に水素脆性型の白色組織が生成する．一方，すべり率 -20 % は Fig. 3 (b)に示したように白色組織の生成は一部を除いて認められフを用いて，昇温速度 100 ℃ /h で常温から 600 ℃までず，水素脆性が抑制されている．なお，白色組織の走査水素分析を行った．なお，試験機停止から水素分析開始

型電子顕微鏡観察では網目状のき裂の合間に白色組織がまでの時間は約 40 分である．

観察されたことから，き裂が先行して発生していると考えられる．

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Fig. 2. Effect of contact stress, slip ratio and lubricant on roller-pitting failure life.

Fig. 3. Microstructure change under contact surface.
(a) lubricant A, slip ratio -60 %, contact stress 2.5 GPa, Nf=2.8x106(b) lubricant A, slip ratio -20 %, contact stress 2.5 GPa, N=1.0x107(c) lubricant B, slip ratio -40 %, contact stress 3.0 GPa, Nf=1.9x10657

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また，Fig. 4 (a) に示したように試験後の転走面硬さ

はすべり率 -20 % が -40 %,-60 % に比べて高い．これは，低すべり率では摩擦発熱量が小さいためと考えられる．
また，摩耗深さもすべり率 -20 % がやや浅い傾向であった．

3.

2

侵入水素量の測定

Fig. 5 (a) は水素脆性が発生した条件（潤滑油 A，すべり率 -60 %）での水素放出曲線，Fig. 5 (b) は未試験材での水素放出曲線である．

一方，潤滑油 B を用いた場合，潤滑油 A に比べてす試験材では 260 ℃付近の 2 次ピークの水素放出量が未べり率 -40 %,-60 % での寿命が大幅に向上する．潤滑油試験材の 2 ～ 3 倍に増加する．また，100 ℃付近の 1 次B では Fig. 3 (c) に示したすべり率 -40 % の 1 本のみ白ピークでも一部水素放出が認められる．このことから試色組織が生成し，すべり率 -60 % においても白色組織は験中に水素が侵入していると考えられる．なお，試験は観察されず，水素脆性が抑制されている．

2 本行い，比較のため分析後に再度昇温分析したバックグラウンドも示した．

Fig. 4. Relationship between hardness under contact

Fig. 5. Hydrogen evolution rate profiles of specimens

surface after roller-pitting test and slip ratio (a),tested at slip ratio -60 % and lubricant A (a),rotating speed (b).

untested (b).

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59Fig. 6 に 300 ℃までに放出された拡散性水素量を比較

加による油膜厚さの増加が（油膜厚さはころがり速度のして示す．水素脆性が発生した条件の拡散性水素量は未約 0.7 乗に比例）寿命を向上させるためと考えられる．

試験材に比べて約 4 ～ 7 倍に増加している．一方，水素以上により，油膜厚さの増加が水素脆性寿命を向上して脆性が抑制された条件（潤滑油 B，すべり率 -60 % およいると考えられることから，水素脆性剥離を発生する因び潤滑油 A，すべり率 -20 %）でも未試験材に比べて約

子はすべりによる摩擦発熱とともに金属接触が考えられ3 倍に増加している．

る．

即ち，水素脆性の抑制された条件でも水素侵入はあるが，侵入量が少ないことで水素脆性が抑制されたと考えられる．

Fig. 7. Relationship between roller-pitting failure lifeand rotating speed.

4．拡散性水素量の測定
4.
Fig. 6. Comparison of diffusible hydrogen content
due to slip ratio, lubricant and untested.

3． 3

回転数の影響1

水素分析法の改善

Fig. 5 (a) での水素分析では陰極チャージした水素添加材で現れる 100 ℃付近の 1 次ピークが認められない．これは試験中に侵入した拡散性水素が測定時には抜けているためと考えられる．
ローラーピッチング試験では摩擦発熱があるため試験

Fig. 7 に面圧 2.5 GPa，すべり率 -40 %，潤滑油 A で停止直後の温度が高く，拡散性水素が抜けてしまっていの寿命に及ぼす回転数の影響を示す．回転数が 750 rpmると考えられる．そこで，試験機停止直後に液体窒素冷から 3000 rpm まで増加してもほとんど寿命は低下しな却による急速冷却を行った．具体的には試験停止直後にい．なお，転走面下には低回転数でも高回転数でも白色噴射圧力 0.02 MPa で 90 秒間ノズルを用いて試験片表面組織が生成しており，水素脆性剥離と考えられた．に液体窒素を噴射冷却した．その後，ドライアイス粉末

Fig. 4 (b) に示したように試験後の転走面硬さは高回で試験片部を冷却した状態で試験片を取り外した．

転数の 3000 rpm で低下する．これは，すべり速度の増また，試料切断数を減らして水素散逸を防止するた加により摩擦発熱量が増加するためと考えられる．まめ最大試料径を直径 26 mm とした大径用水素分析炉をた，摩耗深さも回転数の増加により増加した．

作製した．試験片は Fig. 1 (b) に示したように転走面幅

摩擦発熱量は回転数とすべり率の積に比例する．すべり率および回転数の増加により表面温度は上昇するた
め，すべり率の増加は寿命を低下させる．一方，回転数が増加しても寿命は低下しなかった．これは回転数の増（約 5 mm）でリング状に切り出し，大径用水素分析装置を用いて測定した．
なお，試験は面圧 2.05 GPa，潤滑油 A，すべり率 -60%，油温 90 ℃，試験時間 16 時間で行った．

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4． 2

水素分析結果（3）水素分析法を改善することで試験中に侵入した拡散性水素（水素放出曲線の 100 ℃付近の 1次ピーク）

試験停止直後の液体窒素冷却と大径用水素分析装置にを測定することができた．

より改善したローラーピッチング試験後の水素分析結果
を Fig. 8 に示す．100 ℃付近に高い 1 次ピークが測定できており，試験中に拡散性水素が侵入していることが明（文献）

1）玉田健治，前田喜久男，対馬全之：NTN TECHNICALREVIEW No.61（1992），29．

らかとなった．
但し，同一測定条件においても 1 次ピークに高低のバ

2）村上保夫，武村浩道，中道冶，小川隆司，桃野達信，ラツキが見られ，現時点では安定した測定結果が得られ

岩本章，石原滋：NSK Technical Journal，No.656（1993），ていないが，未試験材では 100 ℃付近の水素放出はゼロ1．

であり，低い 1 次ピークでも試験中に水素侵入があるこ

3）木野伸郎，山本建，尾谷敬造，内山典子：日本機械学会論文集（A編），70（2004），1072．とは明らかである．

4）M. H. Evans：Materials Science and Technology，28（2012），3．

5）村上敬宜，長田淳治：日本機械学会論文集（A編），70（2004），1093．
6）小畑達郎，山崎真吾，岡正春，樽井敏三，橋村雅之：
CAMP-ISIJ，13（2000），1182．
7）平岡和彦，藤松威史，常陰典正，山本厚之：トライボ
ロジスト，52（2007），888．
8）木南俊哉：電気製鋼，79（2008），77．
9）木南俊哉，木村和良：電気製鋼，81（2010），89．

Fig. 8. Hydrogen evolution rate profiles measured using
rapid cooling and a large furnace.

5．結論

水素脆性型の転動疲労強度に及ぼす侵入水素の影響を明らかにすることを目的にローラーピッチング試験での試験条件の影響を調査し，試験後の侵入水素量を測定することにより，以下の結論を得た．
（1）潤滑油 A，すべり率 -40 %以上では試験中に水素が侵入し，白色組織を伴う水素脆性剥離が発生する．
一方，すべり率 -20 %および潤滑油 Bでは寿命が向上し，白色組織が抑制される．すべり率 -20 %および潤滑油 Bでは侵入水素量が少なく，水素脆性が抑制されたためと考えられる．
（2）すべり率と回転数の増加は共に摩擦発熱量を増加するが，回転数が増加しても寿命低下は認められな
い．これは回転数の増加による油膜厚さの増加が水素脆性を抑制するためと考えられる．